管禮松, 郭偉玲, 李 鑫, 蔣婷婷

(安徽理工大學(xué) 空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

土壤侵蝕對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，嚴(yán)重影響了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)今人類面臨最普遍的災(zāi)害，已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。我國(guó)是全球水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，2018年全國(guó)水土流失面積達(dá)2.74×106km2，其中水力侵蝕面積為1.15×106km2，占水土流失總面積的42.05%[2]。定期開(kāi)展區(qū)域土壤侵蝕狀況調(diào)查，是對(duì)水土流失治理成效的客觀反映。我國(guó)對(duì)于區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)一度時(shí)期是根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)(SL190-2007)》[3]，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可操作性強(qiáng)，但也存在一些問(wèn)題，如不能直接反映氣候、土壤的影響，不能全面反映水土保持措施的影響[4]。2000年，劉寶元等參考美國(guó)通用土壤流失方程(universal soil loss equation，USLE)[5]和修正通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation， RUSLE)[6]的有關(guān)思想，提出了更符合我國(guó)土壤侵蝕實(shí)際情況的中國(guó)土壤流失方程(Chinese soil loss equation， CSLE)[7]模型?？紤]到我國(guó)與國(guó)外地形差異較大，該模型對(duì)陡坡地形因子進(jìn)行了改進(jìn)，并且將植被管理因子與水土保持措施因子劃分為生物措施因子、工程措施因子和耕作措施因子，更能真實(shí)反映我國(guó)的土壤侵蝕過(guò)程。USLE和RUSLE已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)，如程先富等[8]利用USLE模型對(duì)安徽省土壤侵蝕空間分布進(jìn)行了定量分析以及探討環(huán)境因子的關(guān)系；趙明松等[9]基于GIS和RUSLE定量分析了安徽省土壤侵蝕及養(yǎng)分流失的空間分布特征；張乃夫等[10]以USLE為理論依據(jù)，探討降雨、土壤以及地形等因子對(duì)新安江流域土壤侵蝕的影響。在安徽省境內(nèi)基于CSLE模型的土壤侵蝕研究報(bào)道較少。為此，本文嘗試采用CSLE模型對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[11-13]，以安徽省皖南山區(qū)為研究區(qū)，估算研究區(qū)2000，2010，2018年土壤侵蝕狀況，分析2000—2018年皖南山區(qū)土壤侵蝕的時(shí)空變化特征，以期為皖南山區(qū)土壤侵蝕綜合治理以及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

皖南山區(qū)位于安徽省南部，介于東經(jīng)116°31′—119°45′與北緯29°31′—31°之間，北邊與沿江平原相連，東南與江蘇、浙江交界，總面積達(dá)3.64×104km2。地貌以丘陵為主，低山為次，地形起伏變化劇烈且復(fù)雜，地表切割破碎，平均坡度為13°，最高海拔為1 816 m。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，降雨量充沛，年降雨量達(dá)1 100～2 500 mm，但降雨時(shí)空分布不均勻，60%集中在5—8月間，年平均氣溫為15.5～16 ℃。土壤類型有基帶土壤的紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地酸性棕壤和山地灌叢草甸土，土層較薄，由于丘陵山區(qū)地形起伏大，加上水蝕較嚴(yán)重，粗骨土分布廣泛[14]。植被覆蓋率達(dá)60%以上，以馬尾松林、毛竹林為主。

1.2 研究方法

本研究采用由劉寶元提出的中國(guó)土壤流失方程(CSLE)，該模型適用于全國(guó)各地范圍，在全國(guó)水利普查和水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用[15-16]。模型公式為：

A=R·K·LS·B·E·T

(1)

式中：A表示年單位面積的土壤侵蝕量(t/hm2·a),1 t/(hm2·a)=100 t/(km2·a);R表示降雨侵蝕力因子(MJ·mm)/(h·hm2·a);K表示土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕;L表示坡長(zhǎng)因子;S表示坡度因子;B表示生物措施因子;E表示工程措施因子;T表示耕作措施因子;L,S,B,E,T因子均為無(wú)量綱。

1.3 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)源

研究區(qū)使用的主要數(shù)據(jù)包括： 安徽省79個(gè)氣象站點(diǎn)，2000，2010和2018年大于等于12 mm日降雨數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。 土壤數(shù)據(jù)為南京土壤所提供的1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)。 數(shù)字高程模型SRTM 30 m分辨率高程數(shù)據(jù)，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云。 土地利用類型數(shù)據(jù)為30 m分辨率，包括2000，2010和2018年3期數(shù)據(jù)。根據(jù)DEM分辨率大小，將上述因子重采樣成30 m，據(jù)公式(1)運(yùn)算分析得到土壤侵蝕柵格圖層為30 m分辨率。

1.4 CSLE模型各因子算法

1.4.1 降雨侵蝕力因子R降雨侵蝕力因子的計(jì)算采用殷水清等[17]的基于日降雨量冷暖季估算模型(公式2)。利用安徽省79個(gè)氣象站點(diǎn)日降雨數(shù)據(jù)(2000，2010和2018年)，選取日降雨量≥12 mm的侵蝕性降雨數(shù)據(jù)[18]，通過(guò)克里金空間插值法生成安徽省年降雨侵蝕力圖層，空間分辨率為30 m。并使用皖南山區(qū)的矢量圖進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)2000年、2010年和2018年的年降雨侵蝕力的柵格圖層(圖1)。

圖1 皖南山區(qū)2000，2010和2018年降雨侵蝕力分布

(2)

式中：Rd為日降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(h·hm2)〕;Pd為侵蝕性日降雨量(mm)(日雨量≥12 mm),若沒(méi)有侵蝕性降雨,則令Pd=0;暖季(5—9月)；α為0.393 7,冷季(10—4月)α為0.310 1。每月分為上下半月,1 a共24個(gè)半月。將日降雨侵蝕力累加到半月降雨侵蝕力,半月累加到年降雨侵蝕力。3期降雨侵蝕力整體分布自西南至東北呈對(duì)角線逐漸降低,2010年皖南山區(qū)降雨侵蝕力局部高達(dá)9 754.74 (MJ·mm)/(h·hm2),是造成山區(qū)水土流失的驅(qū)動(dòng)因素。

1.4.2 土壤可蝕性K以1∶100萬(wàn)世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用Sharpley等[19]在EPIC模型中的K值計(jì)算方法(公式3)，獲取研究區(qū)土壤可蝕性K值分布圖(圖2)。K值計(jì)算公式為：

圖2 皖南山區(qū)土壤可蝕性因子分布

(3)

式中：SAN為砂粒含量(%);SIL為粉粒含量(%);CLA為黏粒含量(%);C為有機(jī)質(zhì)含量(%); 其中SN1=1-SAN/100。K值為美制單位,換算成國(guó)際通用公制單位〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕,關(guān)系為:公制單位=0.131 7×美制單位。皖南山區(qū)東北區(qū)域主要分布有水稻土,土壤可蝕性雖然高,但是由于地形條件等原因,水土流失較輕微。

1.4.3 地形因子LS地形因子指的是坡度因子(S)和坡長(zhǎng)因子(L)。坡度因子采用McCool等[20]緩坡公式和Liu等[21]陡坡公式來(lái)計(jì)算(公式4)；對(duì)于坡長(zhǎng)因子的計(jì)算采用Wischmeier和Smith等[5]提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

(4)

式中：θ為坡度(°);λ為坡長(zhǎng)(m);m為可變的坡長(zhǎng)指數(shù)。

基于研究區(qū)30 m分辨率DEM，采用張宏鳴開(kāi)發(fā)的LS-Tool工具計(jì)算LS因子值[22-24]，得到研究區(qū)的LS因子分布圖(圖3)。其中，截?cái)嘁蜃釉O(shè)置為0.5和0.7，與全國(guó)第一次水利普查保持一致。

圖3 皖南山區(qū)LS因子分布

1.4.4 生物措施因子B生物措施因子指有植被覆蓋條件下的土地土壤流失量與同等條件下清耕休閑地的土壤流失量之比，一般介于0～1之間。CSLE將USLE/RUSLE中的植被管理因子C和水土保持措施因子P劃分為生物措施因子B、工程措施因子E和耕作措施因子T。參考前人的研究成果[8]，賦予不同土地利用類型的B值(表1)。根據(jù)B值，再結(jié)合土地利用圖生成生物措施因子圖(圖4)。從圖4可以看出，3期生物措施因子空間分布格局基本相同，但在2018年皖南東北地區(qū)的生物措施因子B值低于2000年和2010年，這說(shuō)明植被在增多，能夠有效抑制土壤侵蝕發(fā)生。

表1 皖南山區(qū)不同土地利用類型生物措施因子

圖4 皖南山區(qū)2000，2010和2018年生物措施因子分布

1.4.5 工程措施因子E工程措施因子是指采取一定工程措施的土地土壤侵蝕量與同等條件下清耕休閑地的土壤侵蝕量之比。由于關(guān)于安徽省皖南山區(qū)水土保持措施工程因子研究的報(bào)道還很少見(jiàn)，需要進(jìn)一步去研究。因此，本研究工程措施因子默認(rèn)賦值為1。

1.4.6 耕作措施因子T耕作措施因子是指采取某種耕作措施的土壤流失量與同等條件下沒(méi)有采取任何耕作措施土壤流失量之比。根據(jù)當(dāng)?shù)厝烁髁?xí)慣并結(jié)合前人研究成果[8]，對(duì)不同土地類型進(jìn)行賦值，水田和旱地賦0.15和0.35，林地、草地和疏林地賦1，水域、居民地和未利用地賦0，得到皖南山區(qū)水土保持措施耕作措施因子圖(圖5)。從圖5看出，皖南山區(qū)2018年水土保持措施T值比2000年和2010年小，減小的區(qū)域主要分布在東北以及長(zhǎng)江周邊地區(qū)，說(shuō)明這些地區(qū)的水土保持措施有明顯的成效。

圖5 皖南山區(qū)2000，2010和2018年耕地措施因子分布

2 結(jié)果與分析

將研究區(qū)各因子值的柵格圖層通過(guò)ArcGIS地圖代數(shù)計(jì)算，得到研究區(qū)2000—2018年土壤侵蝕等級(jí)分布圖(圖6)。

圖6 皖南山區(qū)2000，2010和2018年土壤侵蝕等級(jí)分布

2.1 皖南山區(qū)土壤侵蝕時(shí)間變化特征

根據(jù)國(guó)家水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190-2007)》，將土壤侵蝕程度劃分為微度侵蝕0～500 t/(km2·a)，輕度侵蝕500～2 500 t/(km2·a)，中度侵蝕2 500～5 000 t/(km2·a)，強(qiáng)烈侵蝕5 000～8 000 t/(km2·a)，極強(qiáng)烈侵蝕8 000～15 000 t/(km2·a)，劇烈侵蝕>15 000 t/(km2·a)，得到皖南山區(qū)2000，2010和2018年土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)量結(jié)果(表2)。

表2 皖南山區(qū)2000，2010和2018年土壤侵蝕模數(shù)和各侵蝕強(qiáng)度侵蝕面積

皖南山區(qū)2000，2010和2018年的年均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 554.35，2 518.31，1 737.09 t/(km2·a)，侵蝕強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，土壤侵蝕狀況從2000—2018年經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段(2000—2010年)，土壤侵蝕狀況惡化，年均土壤侵蝕模數(shù)增加了963.96 t/(km2·a)；第二階段(2010—2018年)，年均土壤侵蝕模數(shù)減少了781.22 t/(km2·a)，土壤侵蝕程度減弱。2000年皖南山區(qū)水土流失面積達(dá)19 098.84 km2，占山區(qū)總面積的52.94%，其中輕度土壤侵蝕面積為14 442.93 km2，中度土壤侵蝕面積為2 061.83 km2，強(qiáng)烈及以上的土壤侵蝕面積為2 594.08 km2。2010年土壤侵蝕狀況加劇，水土流失面積達(dá)22 345.90 km2，占總面積的62.03%，比2000年增長(zhǎng)了17.01%，輕度土壤侵蝕面積為14 155.05 km2，中度侵蝕面積為4 509.73 km2，強(qiáng)烈及以上土壤侵蝕面積為3 681.12 km2。2000—2010年土壤侵蝕的變化，主要與2010年的強(qiáng)降雨有關(guān)，導(dǎo)致水土流失面積的增加。截止到2018年，水土流失面積為19 977.74 km2，占總面積的55.38%，水土流失面積相比2010年雖有所減少，但仍然要比2000年多。將≥12 mm的降雨量作為侵蝕性降雨，統(tǒng)計(jì)得到皖南山區(qū)2000年、2010年和2018年年平均降雨量以及年降雨侵蝕力(圖7)。年降雨侵蝕力和年均降雨量明顯呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，與土壤侵蝕變化一致。2010年年均降雨量為1 367.65 mm，比2000年增長(zhǎng)了46.85%，但在2018年減少了21.4%。2000—2018年皖南山區(qū)降雨侵蝕力最高分布在西南地區(qū)，整體上呈從西南到東北逐漸降低的趨勢(shì)。

圖7 皖南山區(qū)2000-2018年年降雨侵蝕力和年降雨量

2.2 皖南山區(qū)土壤侵蝕空間變化特征

從土壤侵蝕等級(jí)分布圖來(lái)看，皖南山區(qū)2000年、2010年和2018年空間分布格局基本一致。2000年和2010年土壤侵蝕分布與程先富等[8]和趙明松等[9]研究結(jié)果相比，土壤侵蝕空間分布格局也基本一致。2000—2010年土壤侵蝕加劇，與趙明松等結(jié)論具有一致性。皖南山區(qū)地表切割破碎，地形起伏大，土壤侵蝕量也大。侵蝕區(qū)域主要分布在西南多山地區(qū)，微度侵蝕主要分布在東北區(qū)域和黃山市低山丘陵區(qū)以及長(zhǎng)江周邊區(qū)域，輕度侵蝕均勻分布在整個(gè)皖南地區(qū)，中度至極強(qiáng)烈侵蝕主要分布在西南側(cè)多山地區(qū)，劇烈侵蝕發(fā)生在池州、銅陵?yáng)|南側(cè)和黃山市周邊地區(qū)，是水土流失重點(diǎn)防治區(qū)域。

統(tǒng)計(jì)不同侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)移矩陣，得到2000—2018年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣(表3—4)。2000年向2010年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移中，微度至極強(qiáng)烈土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移變化明顯，其中微度侵蝕向輕度侵蝕轉(zhuǎn)移20.39%，輕度侵蝕向中度侵蝕轉(zhuǎn)移24.23%，中度侵蝕向強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)移45.90%，強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)移不明顯，而極強(qiáng)烈侵蝕向劇烈侵蝕轉(zhuǎn)移達(dá)到79.47%，表現(xiàn)為低強(qiáng)度等級(jí)往高強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移。2010年向2018年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移中，輕度至劇烈侵蝕向低強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移變化較明顯，輕度侵蝕向微度侵蝕轉(zhuǎn)移17.99%，中度侵蝕向輕度侵蝕轉(zhuǎn)移60.34%，強(qiáng)烈侵蝕向中度侵蝕轉(zhuǎn)移74.37%，極強(qiáng)烈侵蝕向強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)移54.36%，劇烈侵蝕向極強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)移36.00%，總體表現(xiàn)為高強(qiáng)度等級(jí)往低強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移。從不同侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)看，2000—2018年先由低強(qiáng)度等級(jí)向高強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移，再由高強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)向?yàn)榈蛷?qiáng)度等級(jí)。

表3 皖南山區(qū)2000-2010年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 皖南山區(qū)2010-2018年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.3 不同土地利用類型的土壤侵蝕分布特征

將皖南山區(qū)2000—2018年的土壤侵蝕圖和土地利用圖分別疊加分析，得到研究區(qū)不同土地利用類型和土壤侵蝕強(qiáng)度之間的關(guān)系(表5)。從土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)來(lái)看總體分為兩個(gè)階段：從2000—2010年，耕地和林地中度及以上土壤侵蝕面積分別增長(zhǎng)了543.66和2 779.98 km2；草地總體呈減少趨勢(shì)，劇烈侵蝕以下面積減少了730.23 km2，但劇烈侵蝕面積從880.70 km2增至1 596.09 km2。從2010—2018年，耕地和林地中度及以上侵蝕面積分別減少了421.5和2 146.52 km2，草地劇烈以下侵蝕面積增長(zhǎng)了580.51 km2，劇烈侵蝕面積從1 596.09 km2減少至998.96 km2。

表5 皖南山區(qū)2000-2018年不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度面積 km2

由此可知，耕地以微度和輕度侵蝕為主，林地以中度及以下侵蝕為主，草地各種土壤侵蝕類型都有，水域、居民地和未利用地主要以微度侵蝕為主，且2000—2018年，水域侵蝕面積變化幅度較小，居民地和未利用地侵蝕面積逐漸增長(zhǎng)，分別從2000年的817.1 km2增長(zhǎng)到2018年的1 630.81 km2和從2000年的2.09 km2增至2018年的5.87 km2。

3 討論與結(jié)論

(1) 皖南山區(qū)2000，2010和2018年均土壤侵蝕模數(shù)分別為1 554.35，2 518.31，1 737.09 t/(km2·a)，呈先增后減的趨勢(shì)。2000—2010年，年均土壤侵蝕模數(shù)增加了963.96 t/(km2·a)；2010—2018年，年均土壤侵蝕模數(shù)減少了781.22 t/(km2·a)，土壤侵蝕狀況得到好轉(zhuǎn)。該土壤侵蝕變化趨勢(shì)與皖南山區(qū)降雨量有關(guān)，2000—2018年降雨量先增后減，且2010年降雨量最高達(dá)1 367.65 mm。

(2) 土壤侵蝕空間分布格局與前人研究結(jié)果基本一致，主要分布在西南山區(qū)。微度侵蝕分布在東北地區(qū)和黃山市低山丘陵區(qū)以及長(zhǎng)江周邊地區(qū)，皖南地區(qū)整體呈輕度侵蝕，中度和極強(qiáng)烈侵蝕主要分布在西南山區(qū)，劇烈侵蝕分布在池州市和銅陵市東南以及黃山市周邊范圍。

(3) 2000—2010年皖南山區(qū)微度至極強(qiáng)烈向土壤侵蝕高強(qiáng)度轉(zhuǎn)移明顯，其中極強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)移到劇烈侵蝕高達(dá)79.47%，表現(xiàn)為土壤侵蝕強(qiáng)度向高等級(jí)轉(zhuǎn)移。2010—2018年輕度至劇烈表現(xiàn)為向低強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移，最明顯為強(qiáng)烈侵蝕向中度侵蝕轉(zhuǎn)移了74.37%，土壤侵蝕強(qiáng)度向低等級(jí)轉(zhuǎn)換。

(4) 研究區(qū)不同土地利用類型中，耕地以微度和輕度侵蝕為主，林地以中度及以下侵蝕為主，且在2010—2018年耕地和林地中度及以上侵蝕面積在明顯減小，說(shuō)明在水土保持綜合治理方面取得了一定的成效。

本研究在評(píng)價(jià)過(guò)程中土壤可蝕性K因子的計(jì)算采用的是1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，因子精度有待進(jìn)一步提高。另外，在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步探索皖南山區(qū)施行的工程措施，以期為研究區(qū)的水土流失綜合治理提供技術(shù)支撐。